本发明专利技术公开了采用碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法，它是称取50 mg碳纳米材料于150 ml的锥形瓶中，加入100 ml，100 mg·L‑1的Cd2单一离子溶液，调pH为6，于室温下分别振荡1 min、3 min、5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h。迅速过滤溶液，用原子吸收分光光度法测定滤液中金属离子的残留浓度。本发明专利技术进一步公开了碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法在提高对重金属的吸附速度方面的应用。其中的吸附亲和力指的是氧化石墨烯对Cd2+的吸附。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于环境保护
，涉及一种采用碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法。
技术介绍
大多数重金属是过渡性元素。土壤环境中，重金属在一定幅度内会发生氧化还原反应，不同价态的重金属具有不同的活性和毒性。土壤重金属污染具有范围广、持续时间长、隐蔽性强、通过食物链富集、治理难度大、不可逆性等特点。大量生物分析与毒理研究表明，环境中重金属元素的生物活性、毒性以及重金属的迁移转化过程和其在环境中的存在形态密切相关。因此只依靠重金属总量很难表明重金属的污染特征。重金属在土壤中形成不同的化学形态，易被土壤介质吸附。但是在各种因素的影响下，重金属会发生迁移和转换。重金属在土壤中的迁移是一个十分复杂的过程，是物理迁移、物理化学迁移和生物迁移三种迁移方式共同作用的结果，导致了重金属在土壤中迁移的难以预测性。在吸附研究中，吸附量是很重要的物理量。在恒定温度下，吸附量与溶液平衡浓度的关系曲线称为吸附等温线。由吸附等温线的形状和变化规律可以了解吸附质和吸附剂的作用强弱，界面上吸附质的状态和吸附层结构。根据Giles对等温吸附曲线的分类，将等温吸附曲线分为S型、L型、H型和C型。S型在低浓度时，溶质含量约高则吸附越快，但吸附位点逐渐达到饱和状态后，斜率最终减少为0。L型等温曲线的斜率随吸附质浓度的增加而减少，这是常见的等温线。H型等温线是L型等温线的特例，是高亲和等温吸附曲线，吸附质对溶剂的亲和力非常大，即使溶剂浓度极低，也能够被吸附。C型是恒定分配线性曲线，被吸附物质在溶液和吸附剂固体表面之间有一定的分配率，吸附量和溶质浓度呈线性关系。通常，浓度度或范围小时表现为C型曲线。水溶液中的溶质在吸附剂表面的等温吸附特性通常用Langmuir 模型、Freundlich 模型来描述，以下将对这两种模型详细介绍。Langmuir首次提出了单分子层吸附模型。Langmuir模型是根据气固二相间的单分子层吸附假设而得出的，且模型中每个吸附空位能量相同，相邻吸附分子间无相互作用力。Freundlich吸附方程并未限定是单层吸附，可用于不均匀表面情况，是较理想的经验等温吸附方程，在比较窄的浓度范围内，许多体系都很符合模型。Wang等研究得到木炭对Cd的吸附和Langmuir模型、Freundlich模型的拟合度较好，R2值分别为0.993和0.989。成杰民等研究发现，Cu和Cd在改性纳米炭黑表面的修复可以分为快慢两个阶段，均能用Langmuir模型、Freundlich模型拟合。Farghali等研究表明 CoFe2O4修饰氧化还原石墨烯，对甲基绿的吸附过程是物理吸附，符合朗格缪尔等温曲线。该模型通常用来解释单分子层吸附的情况，习惯用来计算最大吸附量。人工修复土壤重金属污染的途径可归纳为3种：去除土壤中的重金属，主要以新土置换、植物提取等方法；对重金属污染进行隔离；改变重金属的存在形态，降低其迁移性和生物可利用性，以至于能长期稳定地存在于土壤中，以原位固定以及微生物修复为主要代表。重金属污染土壤原位固定修复在污染土壤治理过程中有着不可替代的作用。在土壤中添加不同外源物质，通过一系列反应改变重金属的化学形态，降低其迁移性和生物有效性，减少重金属毒害和迁移积累。常用的土壤修复材料主要有沸石、蛭石、石灰、磷矿、炉渣等无机物，绿肥、富含碳含量的有机物以及部分可用于修复重金属污染的纳米材料。吴烈善等对污染土壤中的重金属进行快速钝化处理，根据稳定效率和钝化剂的钝化能力值对各钝化剂及复配组合的钝化能力进行强弱排序可知石灰钝化能力值最大，施用石灰可降低土壤中Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb 的生物可利用性。飞灰对土壤中Zn和Pb有较强的吸附性能。殷飞通过向重金属复合污染土壤分别施加4种钝化剂，钢渣、磷矿粉处理后可交换态和碳酸盐结合态Zn含量明显减少，钢渣、磷矿粉能显著增加残渣态Cu含量，添加磷矿粉后生物难吸收的钙型砷含量显著增加；其中，木炭和坡缕石主要以重金属的钝化吸附和络合为主，钢渣和磷矿粉对重金属的修复机制主要以化学沉淀为主。利用颗粒状炉渣和MgO按比例混合后修复土壤，炉渣对重金属有很好的吸附性能，能够有效改善重金属和有机污染的土壤。Soares 等利用蛋壳堆肥吸附土壤中的Pb和Zn，添加后，能够提高土壤pH值，减少土壤中可交换态Pb和Zn，能够有效修复土壤重金属。利用绿肥、肥料堆肥等富碳物质和无机酸等联合修复土壤，可以有效降低As和Cu对土壤的污染。造纸污泥与土壤相互作用能形成新的吸附位点，有助于Zn在土壤中的固定，改善土壤质量减少渗漏液中重金属含量。Shaheen利用无机物：沸石、AlO、MnO和碳酸盐和有机改良剂：活性炭、油料残余堆肥固定土壤中的Cu并种植玉米。结果表明，添加土壤修复剂后，玉米体内Cu含量降低，有机改良剂效果优于无机改良剂，其中活性炭是和AlO效果较好。生物炭具有孔隙度高、比表面积大、表面活性基团多能够吸附大量可交换态阳离子。其对Cd2+的吸附量随pH的增加先上升后下降，是一种良好的吸附材料，并且增加土壤有机质，促进作物增产。生物碳与土壤混合后，土壤中Cd、Zn和Pb的毒性随着生物炭含量增加而减少，滤出液中重金属毒性随着时间而减少。Qihong Zhu等利用生物碳修复重金属污染的水稻土，施加量为0.5%时，土壤中可交换态Cr、Ni、Cu、Pb、Zn和Cd含量分别下降了18.8、29.6、 26.3、23.0、23.01和48.14%，水稻中Zn、Cd、Pb含量减少了10.96、8.89和8.33%。Almaroai等人对比了在土壤中添加生物炭、牛骨和蛋壳后种植玉米，分析土壤中Pb的生物有效性，研究表明，添加生物炭后，玉米枝叶中Pb含量减少。刘晶晶研究不同种类的生物炭对重金属污染土壤的修复响应，以复合污染的水稻土为供试土样施用不同粒径的生物炭，稻草炭的添加显著提高了土壤pH值，并且酸溶态Cu、Cd和Zn向还原态和可氧化态转化。施加生物炭可以改变土壤酶活性，其中脲酶和过氧化物酶活性显著提高，但是酸性磷酸酶活性降低。纳米颗粒类修复剂含有巨大的比表面积，对土壤中的污染重金属离子具有极强的吸附作用，可以降低污染土壤中重金属离子的迁移、转化及其生物有效性重金属含量。Zhangwei Li等利用纳米羟磷灰石（nHAP）以及微米羟磷灰石（mHAP）修复重金属污染的土壤，他们可以减少土壤中生物可利用态的Pb、Zn、Cu和Cr，并且添加纳米材料后，小白菜体内的金属含量下降。纳米TiO2光催化材料、纳米零价铁等纳米材料在土壤修复环境中也发挥着重要作用，能够有效降低重金属离子污染毒性。王萌通过盆栽实验研究纳米修复剂：羟基磷灰石HAP、赤泥RM、Fe3O4、胡敏酸- Fe3O4对污染土壤中Cd 吸收转运的影响。碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯及其衍生物等。石墨烯( graphene，GE) 是一种由 sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料，具有独特的物化性质。2004 年，英国曼彻斯特大学物理和天文学系的 Geim和 Novoselov 等用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯，并由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。常见的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种采用碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）研制材料供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；石墨烯微片的微片大小：0.5‑20 μm；微片厚度：5‑25 nm；比表面积：40‑60 m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000‑10000 S/m；含碳量：>99.5%；氧化石墨烯的平均厚度：3.4‑7 nm；片层直径：10‑50 μm；层数：5‑10层；比表面积：100‑300 m2/g；纯度>90%；羧基化多壁碳纳米管的直径：20‑40 nm；长度：10‑30 μm；‑COOH含量：1.43%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；羟基化多壁碳纳米管的直径：20‑40 nm；长度：10‑30 μm；‑OH含量：1.63%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；（2）方法：1)称取50 mg碳纳米材料于150 ml的锥形瓶中，加入100 ml，100 mg·L‑1的Cd2单一离子溶液，调pH为6，于室温下分别振荡1 min、3 min、5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h；迅速过滤溶液，用原子吸收分光光度法测定滤液中金属离子的残留浓度；2）分别配制含有Cd2+单一离子不同浓度的溶液，所用溶液均含有0.01 mol·L‑1NaNO3做支持电解质，用NaOH或HNO3来调节重金属溶液的酸度，使溶液的pH都为6，Cd的浓度为10、25、50、100、150、200 mg·L‑1；称取10 mg的碳纳米材料若干份放入100 ml的锥形瓶中，分别向锥形瓶内加入不同浓度的单一重金属溶液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计，TAS‑990测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。...
【技术特征摘要】
1.一种采用碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）研制材料供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；石墨烯微片的微片大小：0.5-20 μm；微片厚度：5-25 nm；比表面积：40-60 m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000-10000 S/m；含碳量：>99.5%；氧化石墨烯的平均厚度：3.4-7 nm；片层直径：10-50 μm；层数：5-10层；比表面积：100-300 m2/g；纯度>90%；羧基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；羟基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；（2）方法：1)称取50 mg碳纳米材料于150 ml的锥形瓶中，加入100 ml，100 mg·L-1的Cd2单一离子溶液，调pH为6，于室温下分别振荡1 min、3 min、5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h；迅速过滤溶液，用原子吸收分光光度法测定滤液中金属离子的残留浓...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵树兰，多立安，卢云峰，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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